CN111370276A - 一种真空沟道型光电阴极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种真空沟道型光电阴极及其制备方法。所述真空沟道型观点阴极包括衬底和形成在衬底上的阴极发射层，阴极发射层包括周期性交替排列的第一半导体材料层和第二半导体材料层，以及形成在阴极发射层中的沟道，其中所述沟道靠近衬底一侧的面积小于阴极发射层表面的面积。本发明提供的光电阴极可产生较大的发射电流密度，同时有效地缩短阴极的响应时间，使其具有发射太赫兹频率电子脉冲的能力，可应用于光调制真空微波器件、自由电子激光器和光源等。
Description
技术领域
本发明涉及电真空元器件领域。更具体地，涉及一种真空沟道型光电阴极、包括该光电阴极的电子源以及光电阴极的制备方法。
背景技术
电子学研究初期电信号的放大、开关和调制都是基于真空电子管的，对信息技术的发展，真空电子管逐步发展为磁控管、速调管、行波管、回旋管等，其工作频率也由低频到发展到太赫兹频率，是无线电通信的核心部件。真空器件的工作原理是通过改变电子的运动状态来实现信号的放大、开关和调制，作为电子发射部件的阴极就成为决定真空器件性能的关键。
传统的真空器件采用热阴极，光电阴极作为真空器件阴极，但灯丝加热会带来阴极支撑结构和栅极移位、阴极蒸发物质污染真空环境和缩短阴极寿命等问题，无法满足真空器件的小型化和集成化的要求；而光电阴极的电子发射特性除了受阴极表面电场强度的影响，还受照射到阴极表面光强和波长的影响，同时这也使得光电阴极比其他冷阴极具有更多调制方法。目前光电阴极面临发射电流密度小和寿命短的问题，仅用到工作于微弱电流的真空器件中，还无法满足大功率真空器件的要求。
二维电子气是不同类型晶体薄膜接触时能带结构发生弯曲，界面附近本材料内电子分布特性受相邻薄膜材料特性影响进行重新分布，产生电子集聚现象，电子的输运特性在平行于界面(横向)方向被加强，即晶体的电子迁移率大幅度提高。匹斯堡大学研究了真空沟道的石墨烯/SiO2/Si器件，如图1所示，测试了该器件的二维电子气发射特性，并在光照条件下表现出更出色的电子发射特性。图1的器件包括衬底101、形成在衬底上的缓冲层102、形成在缓冲层上的Si层103、形成在Si层上的SiO2层104、形成在SiO2层上的石墨烯电极层106、以及形成在电极层、SiO2和Si层中的沟槽105。电子的输运过程如图1所示，光激发电子自SiO2内部向SiO2/Si界面方向运动(即a1过程)，然后电子在SiO2/Si界面附近向真空沟道105方向运动并发射到真空(即b1过程)，最后电子在真空沟道中在栅极电压作用下脱离阴极形成电子发射(即c1过程)。在a1过程中，产生于半导体材料内部的电子，在向SiO2/Si界面方向运动时，电子的扩散速度受半导体材料迁移率的影响，扩散速度较慢，同时电子的能量受晶格碰撞和散射等因素影响而逐渐降低，直接影响阴极的响应速度和电子的发射性能，而且由于仅在SiO2/Si界面附近产生电子发射，这种阴极只有一个电子发射位置，发射效率低。
因此，为了克服现有技术存在的技术缺陷，需要提供一种新型的光电阴极及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有光电阴极发射电流密度低、寿命短和稳定性差等现状，提供一种高电流密度、稳定性高的真空沟道型光电阴极及光电阴极的制备方法。
根据本发明的一个方面，提供一种真空沟道型光电阴极，包括衬底和形成在衬底上的阴极发射层，所述的阴极发射层包括周期性交替排列的第一半导体材料层和第二半导体材料层，以及形成在阴极发射层中的至少一个沟道，每一沟道靠近衬底一侧的面积小于阴极发射层表面的面积。
优选地，所述第一半导体材料和第二半导体材料选自SiO2和Si、AlxGa1-xN和AlyGa1-yN、或者AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs，其中x的范围为0≤x＜1，y的范围为x＜y≤1。
优选地，所述阴极发射层包括交替排列的第一半导体材料层和第二半导体材料层的周期性结构，周期数T为2≤T≤20
优选地，所述第一半导体层和第二半导体材料层的厚度范围为5nm-3μm。
优选地，所述真空沟道型光电阴极进一步包括位于所述阴极发射层表面的表面半导体层，该表面半导体层由禁带宽度小于等于第一半导体材料和第二半导体材料中较小禁带宽度的半导体材料形成，优选地，所述表面半导体层的厚度小于500nm。
优选地，所述第一半导体材料和第二半导体材料为SiO2和Si，所述表面半导体层的材料为Si；
所述第一半导体材料和第二半导体材料为AlxGa1-xN和AlyGa1-yN，所述表面半导体层的材料为AlxGa1-xN；或者
所述第一半导体材料和第二半导体材料为AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs，所述表面半导体层的材料为AlxGa1-xAs。
优选地，该所述光电阴极进一步包括形成在衬底上的缓冲层。
优选地，所述沟道为倒锥形，该沟道在发射层表面的直径或边长为30nm-10μm。
优选地，所述沟道的形状为V型凹槽，该沟道在发射层表面的宽度为30nm-10μm，长度大于30nm。
根据本发明的另一方面，提供一种真空沟道型光电阴极的制备方法，该方法包括以下步骤：
在衬底上形成周期性交替排列的第一半导体材料层和第二半导体材料层，得到阴极发射层；
在阴极发射层中形成沟道，所述沟道靠近衬底一侧的面积小于阴极发射层表面的面积；
所述第一半导体材料和第二半导体材料选自SiO2和Si、AlxGa1-xN和AlyGa1-yN、或者AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs，其中x的范围为0≤x＜1，y的范围为x＜y≤1；
将阴极材料放入真空系统进行退火并激活。
优选地，该方法进一步包括，在得到的阴极材料层的表面上进一步形成表面半导体层，该表面半导体层由禁带宽度小于等于第一半导体材料和第二半导体材料中较小禁带宽度的半导体材料形成。
本发明的有益效果如下：
1、本发明所提供的真空沟道型光电阴极中的光电阴极发射层包括真空沟道，真空沟道结构将阴极表面由二维平面转变为三维表面，显著增加阴极表面有效电子发射面积，从而提高阴极的电流发射强度；
2、本发明所提供的真空沟道型光电阴极中通过采用周期性交替排列的半导体材料作为发射层，能起到多次降低位错浓度、减小晶格失配的作用；
3、本发明所提供的真空沟道型光电阴极包括具有周期性结构和形成在其中的真空沟道的光电阴极发射层，可以有效缩短电子在阴极材料中的运动时间，提高阴极的响应速度，大幅度提高了阴极发射脉冲电子束的频率；
4、本发明提供的光电阴极进一步包括有表面窄禁带半导体材料层，可降低阴极表面势垒，提高阴极电子发射能力；
本发明所提供的光电阴极包括具有周期性交替结构和真空沟道的光电阴极发射层，可满足真空器件对阴极大电流密度和稳定性的要求。周期性的结构可有利于缩短电子在阴极材料中的运动时间、提高阴极的响应速度，使真空沟道型光电阴极满足太赫兹频率真空器件、自由电子激光器和光源等真空器件对阴极的要求，提供理想的高性能真空器件电子源。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为现有技术光电阴极工作原理图。
图2为根据本发明实施例1的光电阴极示意图。
图3为根据本发明实施例2的光电阴极示意图。
图4位本发明实施例1的光电阴极发射特性。
图5为本发明实施例2的光电阴极发射特性。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
在下述的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或者多个实施方式的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施方式。
图2示意性示出根据本发明的真空沟道型光电阴极的工作原理。本发明的光电阴极，包括衬底310、形成在衬底上的缓冲层320、形成在缓冲层上的发射层330、以及形成在发射层中的沟道340。光电阴极发射层包括具有交替排列的第一半导体材料层331和第二半导体材料层332的周期性结构，每个单层331、332的厚度D为5nm≤D≤3μm，第一半导体材料层和第二半导体材料层交替排列的周期数T为1≤T≤20，优选周期数T为2≤T≤20。第一半导体材料和第二半导体材料的材料组选自SiO2和Si、AlxGa1-xN和AlyGa1-yN、或者AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs，其中x的范围为0≤x＜1，y的范围为x＜y≤1。进一步，光电阴极发射层330可包括形成在周期性结构上的表面半导体层333，该表面半导体层333的材料选自第一和第二半导体材料组中具有窄禁带宽度的材料，或者具有禁带宽度比第一和第二半导体材料的禁带宽度窄的半导体材料，所述表面半导体层的厚度小于500nm。
下面结合图2阐述根据本发明的真空沟道型光电阴极工作原理。根据本发明的光电阴极，阴极发射层包括具有交替排列的第一半导体材料层331和第二半导体材料层332的周期性结构、窄禁带半导体层333以及形成在阴极发射层中的真空沟道。光激发电子自材料内部向第二半导体材料/第一半导体材料界面方向运动，a2过程，然后电子在界面附近向真空沟道方向运动，b2过程，并发射到真空，c2过程，最后电子在真空沟道中在栅极电压作用下脱离阴极形成电子发射。从光电阴极发射层的周期性结构可看出，该阴极在真空沟道内侧存在多个电子发射位置。另外由于每一半导体层的厚度较小，电子产生的位置距晶体界面的距离较近，所以a2过程电子的运动时间被大幅度缩短，有效地提高了阴极的响应速度。
根据本发明的优选实施例，形成在本发明的光电阴极发射层中的真空沟道，底部的面积小于表面的面积，优选形状为倒锥形例如三棱柱、四棱锥和圆锥形；或截面为V型的凹槽。虽然本发明阴极发射层的c2过程中电子的运动距离大于图1所示c1过程中电子的运动距离，发射层中的真空沟道为倒锥形或V形凹槽，一方面，有效增加了电子发射面积，在相同体积的光电阴极的情况下，有效提高阴极的电流发射强度；另一方面，电子在真空沟道中不存在碰撞，电子可在极短的时间内运动到阴极材料外部形成电子发射。根据本发明的真空沟道型周期性结构的光电阴极比传统光电阴极和真空沟道型单一结构的光电阴极具有更强的电子发射能力和响应速度，可以满足太赫兹频率真空器件、自由电子激光器和光源等真空器件对阴极的要求。
根据本发明的优选实施例，阴极发射层表面真空沟道边长dt的范围为30nm≤dt≤10μm，若沟道为倒锥形，沟道在发射层表面的直径或边长为30nm-10μm；若沟道的形状为V型凹槽，该沟道在发射层表面的宽度为30nm-10μm，长度大于30nm。发射层内部真空沟道边长小于发射层表面真空沟道的边长，所述真空沟道的深度小于等于所述阴极发射层的厚度，真空沟道也可以进入到缓冲层中。
本发明进一步提供一种光电阴极的制备方法，包括以下步骤：
使用有机溶剂、去离子水、酸性或碱性溶液等清洗阴极衬底材料表面的污染物；
使用MOCVD或MBE等外延技术在阴极衬底材料表面生长缓冲层；
使用MOCVD或MBE等技术在缓冲层上交替生长第一半导体材料和第二半导体材料得到周期性结构，在周期性结构上进一步形成表面半导体层，得到阴极发射层；
在所得的阴极发射层表面使用微纳加工技术或离子束聚焦刻蚀技术制作真空沟道结构，其中真空沟道靠近衬底一侧的面积小于阴极发射层表面的面积；
将所得材料进行表面净化和激活。
所述有机溶剂选自丙酮、四氯化碳、无水乙醇或其混合物。
下面结合附图和具体实施例进行详细阐述。
实施例1
下面结合图2具体说明根据本发明实施例1的真空沟道型光电阴极示意图，该光电阴极包括蓝宝石衬底、和具有第一半导体材料层为GaN层、第二半导体层为Al0.3Ga0.7N层的周期结构的阴极发射层以及一个倒圆锥形的真空沟道。
具体地，真空沟道型光电阴极包括蓝宝石衬底310，形成在蓝宝石衬底上的厚度为5μm的Al0.3Ga0.7N层作为缓冲层320，形成在缓冲层上阴极发射层330，包括交替排列的第一半导体材料331和第二半导体材料332的周期性结构以及表面半导体层333。第一半导体层GaN层的厚度为35nm，第二半导体层Al0.3Ga0.7N层的厚度为65nm，第一半导体层和第二半导体层交替排列2次，循环周期数T为2。周期结构的表面上形成有厚度为30nm的GaN层作为表面半导体层333。真空沟道结构340为倒圆锥形结构，真空沟道在阴极发射层表面的直径为100nm，阴极发射层真空沟道底部直径为0，发射层真空沟道深度为240nm，沟道底部位于缓冲层中。
根据实施例1的真空沟道型光电阴极电子源的制备方法如下：
第一步，使用丙酮、四氯化碳、无水乙醇、去离子水、酸性或碱性溶液等清洗阴极衬底蓝宝石材料表面的污染物；
第二步，使用MOCVD等外延技术在阴极衬底材料表面生长5μm的Al0.3Ga0.7N层作为缓冲层；
利用MOCVD在缓冲层上依次生长35nm第一GaN层、65nm第一Al0.3Ga0.7N层、35nm第二GaN层和65nm第二Al0.3Ga0.7N层得到周期数为2的周期结构；随后在其上生长30nm的GaN层作为表面半导体层。
第三步，对第二步所得的材料使用例如光刻的微电子加工技术制作倒圆锥形真空沟道结构；
第四步，将第三步所得的材料进行净化和激活，得到根据本发明的光电阴极。
随后，在功率为1W，波长为266nm激光光源照射下，根据本发明的光电阴极电流发射密度如图4所示，同样可看出真空沟道型光电阴极具有承受大电流密度发射能力。
实施例2
图3为根据本发明实施例2的条形真空沟道型光电阴极，该光电阴极包括GaAs衬底、和具有第一半导体层为GaAs层、第二半导体层Al0.55Ga0.45As层的周期结构的阴极发射层以及两个真空沟道。
具体地，真空沟道型光电阴极包括GaAs衬底层410，形成在GaAs层衬底上的Al0.55Ga0.45As缓冲层420，形成在缓冲层上的阴极发射层430，包括交替排列的第一半导体材料层GaAs层431和第二半导体材料层Al0.55Ga0.45As层432，每个Al0.55Ga0.45As层和GaAs层的厚度分别为50nm和60nm，两种晶体的循环周期数T为8；表面GaAs层433的厚度为50nm。真空沟道结构为条形结构，阴极发射层表面真空沟道宽度为1μm，阴极发射层底部真空沟道宽度为0.1μm，发射层真空沟道深度为1μm，真空沟道长度为0.5mm。
真空沟道型光电阴极的制备方法如下：
第一步，使用丙酮、四氯化碳、无水乙醇、去离子水、酸性和碱性溶液等清洗阴极衬底GaAs材料表面的污染物；
第二步，使用MBE等外延技术在第一步所得的阴极衬底材料表面生长交替生长Al0.55Ga0.45As和GaAs晶体，分别得到缓冲层420和包括周期数为8的GaAs层和Al0.55Ga0.45As层周期性结构及骑上的表面GaAs层；
第三步，在第二步所得的材料表面使用离子束聚焦刻蚀技术制作条形真空沟道结构。
第四步，将第三步所得的材料进行净化和激活。
在500W氙灯光源照射下，真空沟道型光电阴极电流发射密度如图5所示，可看出真空沟道型的光电阴极具有承受大电流密度发射能力。
综上所述，本发明所提供的光电阴极包括有周期性结构和真空沟道的光电阴极发射层，可满足真空器件对阴极大电流密度和稳定性的要求。同时周期性的结构可有利于缩短电子在阴极材料中的运动时间、提高阴极的响应速度，使真空沟道型光电阴极满足太赫兹频率真空器件、自由电子激光器和光源等真空器件对阴极的要求。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种真空沟道型光电阴极，包括衬底和形成在衬底上的阴极发射层，其特征在于，所述阴极发射层包括交替排列的第一半导体材料层和第二半导体材料层，以及形成在阴极发射层中的至少一个沟道，每一沟道靠近衬底一侧的面积小于阴极发射层表面的面积。
2.根据权利要求1所述的真空沟道型光电阴极，其特征在于，所述第一半导体材料和第二半导体材料选自SiO2和Si、AlxGa1-xN和AlyGa1-yN、或者AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs，其中x的范围为0≤x＜1，y的范围为x＜y≤1。
3.根据权利要求1所述的真空沟道型光电阴极，其特征在于，所述阴极发射层包括交替排列的第一半导体材料层和第二半导体材料层的周期性结构，周期数T为2≤T≤20，优选地，所述第一半导体层和第二半导体材料层的厚度范围为5nm-3μm。
4.根据权利要求1所述的真空沟道型光电阴极，其特征在于，所述真空沟道型光电阴极进一步包括位于所述阴极发射层表面的表面半导体层，该表面半导体层由禁带宽度小于等于第一半导体材料和第二半导体材料中较小禁带宽度的半导体材料形成，优选地，所述表面半导体层的厚度小于500nm。
5.根据权利要求2所述的真空沟道型光电阴极，其特征在于，
所述第一半导体材料和第二半导体材料为SiO2和Si，所述表面半导体层的材料为Si；
所述第一半导体材料和第二半导体材料为AlxGa1-xN和AlyGa1-yN，所述表面半导体层的材料为AlxGa1-xN；或者
所述第一半导体材料和第二半导体材料为AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs，所述表面半导体层的材料为AlxGa1-xAs。
6.根据权利要求1所述的真空沟道型光电阴极，其特征在于，该所述光电阴极进一步包括形成在衬底上的缓冲层。
7.根据权利要求1所述的真空沟道型光电阴极，其特征在于，所述沟道为倒锥形，该沟道在发射层表面的直径或边长为30nm-10μm。
8.根据权利要求1所述的真空沟道型光电阴极，其特征在于，
所述沟道的形状为V型凹槽，该沟道在发射层表面的宽度为30nm-10μm，长度大于30nm。
9.一种真空沟道型光电阴极的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
在衬底上形成周期性交替排列的第一半导体材料层和第二半导体材料层，得到阴极发射层；
在阴极发射层中形成沟道，所述沟道靠近衬底一侧的面积小于阴极发射层表面的面积；
所述第一半导体材料和第二半导体材料选自SiO2和Si、AlxGa1-xN和AlyGa1-yN、或者AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs，其中x的范围为0≤x＜1，y的范围为x＜y≤1；
将阴极材料放入真空系统进行退火并激活。
10.根据权利要求9所述的真空沟道型光电阴极的制备方法，其特征在于，该方法进一步包括，在得到的阴极材料层的表面上进一步形成表面半导体层，该表面半导体层由禁带宽度小于等于第一半导体材料和第二半导体材料中较小禁带宽度的半导体材料形成。
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